日地月公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)演示儀設(shè)計說明書

1、華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院機械原理課程設(shè)計說明書太陽地球月球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)演示儀指導(dǎo)教師：楊家軍設(shè)計者：卜凡 林翰 U201110297王澤坤劉鐳華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院機械中英1101班2014年1月目 錄1.作品內(nèi)容簡介22.設(shè)計任務(wù)2 2.1設(shè)計背景2 2.2設(shè)計目標32.3設(shè)計目的及意義33.設(shè)計方案3 3.1設(shè)計方案選擇3 3.2設(shè)計方案總體介紹5 3.3運動循環(huán)圖6 3.4結(jié)構(gòu)解析64.理論分析與計算7 4.1下壓角度預(yù)計算7 4.2曲柄長度預(yù)計算7 4.3下壓行程預(yù)計算7 4.4校正數(shù)據(jù)84.5運動軌跡模擬85.設(shè)計過程中的亮點10 5.1創(chuàng)意上的亮點10 5.2結(jié)構(gòu)上的亮

2、點10 5.3繪圖上的亮點105.4團隊上的亮點106.收獲與體會107.參考文獻128.附錄1312華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院太陽地球月球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)演示儀設(shè)計者：卜凡、林翰、王澤坤、劉鐳指導(dǎo)老師： 楊家軍（華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074）作品內(nèi)容簡介太陽與月亮對我們生活影響至深，日出而作，日落而息，春種秋收，冬暖夏涼，這便是太陽、月亮及地球的天體運動產(chǎn)生的。然而，許多人對日地月三者的運動規(guī)律不甚了解，不知道為何有四季之分，不清楚何來潮漲潮落，更不知在地球上只能看見月亮的一面。因此，我們決定利用所學(xué)的機械知識，尤其是齒輪與齒輪系的知識去設(shè)計模擬地球自轉(zhuǎn)及繞太陽的公轉(zhuǎn)，月球

3、的自轉(zhuǎn)及繞地球的公轉(zhuǎn)的演示儀。以期能直觀反映日地月的運動規(guī)律。并設(shè)計以手動搖桿作為輸入，以讓學(xué)習(xí)者可以親手操作模擬轉(zhuǎn)動過程，而加深知識的印象。該演示儀可以作為天文選修課的入門學(xué)習(xí)教具，也可以供天文愛好者入門學(xué)習(xí)之用。聯(lián)系人：卜凡聯(lián)系電話：EMAIL：2 設(shè)計任務(wù)2.1 設(shè)計背景公元前十一世紀，傳說中國周朝建立測景臺，最早測定黃赤交角。公元前七世紀，中國用土圭測定冬至和夏至，劃分四季。1542年，波蘭哥白尼提出太陽中心說，認為恒星天層不動，地球每天繞其軸旋轉(zhuǎn)一周，并作為一個行星每年繞太陽運行一周。而近代來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，天文學(xué)的成就更是日新月異，我們的目光早已投向太陽系之外的天體。我們

4、了解并且能夠精確計算漫天的星體運動，太陽系內(nèi)的行星更是了若指掌。人類的足跡也已踏上了月球，機器人也已代替人登上了火星，并正向太陽系外前進。但是，許多人卻依然缺乏天文學(xué)的基本知識。莫說漫天的星辰，許多人連對我們生活影響最深的太陽、月亮和地球三者的運動規(guī)律都不甚了解。這三大星體對我們的日常生活影響最深，甚至可以說決定了我們的生活方式。但是，許多人依然懵懵懂懂，知其然而不知其所以然。但天文知識又是極其深奧和復(fù)雜，對于普通人來說，并無過多時間去深入研究。因此，我們希望通過演示儀來生動表現(xiàn)日地月自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的過程，讓人們可以直觀快速地了解這些知識。2.2 設(shè)計目標該演示儀可分為三大模塊，太陽地球公轉(zhuǎn)模塊，

5、地球自轉(zhuǎn)模塊，地球月球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)模塊。太陽地球公轉(zhuǎn)模塊：我們的目標在于體現(xiàn)太陽地球公轉(zhuǎn)的周期時間，以及表現(xiàn)公轉(zhuǎn)的橢圓軌道，從而能解釋四季變化。地球自轉(zhuǎn)模塊：我們的目標在于表現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)周期時間，以及黃赤交角，從而解釋晝夜變化，并進一步解釋四季變化。地球月球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)模塊：我們的目標在于表達月球公轉(zhuǎn)的周期時間，以及公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)速度一致的事實，從而解釋潮汐的起落和為何我們只能看見月球的一面。2.3 設(shè)計目的及意義我們的目的是通過機械設(shè)計來仿真出日地月三者在宇宙空間各時刻的相對位置,并能形象地表明地球月亮的運動狀態(tài),科學(xué)地解釋由此產(chǎn)生的各種自然現(xiàn)象。使學(xué)習(xí)者通過該演示儀之演示，可輕松地了解這些基本知識。

6、且特意將演示儀設(shè)計為手動操作，可快可慢，由學(xué)習(xí)者自己掌握，因而學(xué)習(xí)者可直接觀察運動全過程?？赏嫘詮姡商岣邔W(xué)習(xí)效率。3 設(shè)計方案3.1 橢圓運動設(shè)計方案選擇1）連桿機構(gòu)橢圓規(guī)方案連桿機構(gòu)橢圓規(guī)方案的機構(gòu)運動簡圖：如圖，將輸入的力作用于連桿OM上，則偏離M點的P點可畫出橢圓的軌跡。但這種方案無法設(shè)計不同的傳動比，因而無法調(diào)整公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的速度。2）行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)方案如圖，將輸入的力作用于連桿，齒輪Z2上的B點畫出橢圓軌跡。且齒輪Z2可繼續(xù)傳動，以此可實現(xiàn)一輸入多輸出，保證公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的傳動比。3）橢圓運動設(shè)計方案選擇上述兩種方案均可實現(xiàn)橢圓運動，但我們希望能實現(xiàn)一輸入多輸出，并將日地月的傳動比通過

7、機構(gòu)固定。因此，我們選擇行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)方案。且該方案相比連桿機構(gòu)橢圓規(guī)方案更簡單，裝配更容易。3.2總體設(shè)計方案的優(yōu)化過程1）簡單連桿機構(gòu)方案簡單連桿機構(gòu)方案的機構(gòu)圖：將動力源的力作用在地球連桿和月球連桿上，使其分別繞著各自中心軸旋轉(zhuǎn)。但該機構(gòu)過于簡單，無法實現(xiàn)一個輸入多個輸出，且無法實現(xiàn)非圓周的復(fù)雜運動。2）行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)方案該方案利用了行星輪橢圓規(guī)機構(gòu)，成功模擬了公轉(zhuǎn)的橢圓軌跡。且利用齒輪傳動可達到用一個輸入產(chǎn)生自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)輸出的效果。但自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)傳動比太大而使齒輪半徑過大，因而該方案實際上不可以行。3）行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)第一次優(yōu)化方案該方案在行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)方案上進一步改進了公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)之

8、間的傳動裝置，增設(shè)多級齒輪以達到減小齒輪半徑而快速增加傳動比的效果。但該方案因齒輪向外延伸，橫向距離依然偏大。切該方案依然無法加入月球。4）行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)第二次優(yōu)化方案該方案在行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)第一次優(yōu)化方案上將公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)之間的齒輪傳動裝置由橫向改為縱向而節(jié)省了空間。并加入了月球極其傳動裝置。該方案已經(jīng)在機械機構(gòu)上達到最終的目的。5） 行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)最終方案該方案在行星輪機構(gòu)橢圓規(guī)第二次優(yōu)化上，考慮日地距離要比月地距離大得多，因而在日地連桿之間加入4個惰輪來增加日地距離，從而更貼近日地月公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的真實情況，至此完成機構(gòu)設(shè)計方案。3.2 設(shè)計方案總體介紹日地月公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)演示儀總體結(jié)構(gòu)圖該演示儀

9、可分為日地傳動部分、日月傳動部分、動力輸入與傳遞部分三大部分。日地傳動部分用于實現(xiàn)模擬地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)之間的傳動比，并實現(xiàn)模擬地球繞太陽公轉(zhuǎn)的橢圓軌跡以及地球自轉(zhuǎn)平面與公轉(zhuǎn)平面的夾角。日月傳動部分用于實現(xiàn)模擬月球公轉(zhuǎn)與地球公轉(zhuǎn)的傳動比，并實現(xiàn)模擬月球公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)的同步以及月球繞地球公轉(zhuǎn)的軌跡。動力輸入與傳遞部分用于實現(xiàn)動力的輸入與傳遞，并且拉長日地之間的距離，更好地模擬真實情況。3.3 結(jié)構(gòu)解析1） 日地傳動部分2）日月傳動部分中心轉(zhuǎn)軸套筒3） 動力輸入與傳遞部分4 理論分析與計算如圖，為該機構(gòu)中所有齒輪的名稱與齒數(shù)。Z1和Z2之間距離為550mm，Z2和Z3之間距離為40mm。所有齒輪模數(shù)與齒數(shù)如

10、下:Z1=100 Z2=50 M1=M2=2mmZ2=57 Z3=23 M2=M3=1mmZ4=23 Z3=57 M4=M3=1mmZ2=63 Z5=17 M2=M5=1mmZ6=17 Z5=63 M6=M5=1mmZ6=63 Z7=17 M6=Z7=1mmZ7=63 Z8=17 M7=M8=1mm4.1 計算地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)之比當計算地球公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度之比時，應(yīng)將其視為定軸齒輪系進行計算。W1為公轉(zhuǎn)速度，W8為自轉(zhuǎn)速度。地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)速度之比=W8/W1=(Z1*Z2*Z5*Z6*Z7)/(Z2*Z5*Z6*Z7*Z8)=377.2即地球公轉(zhuǎn)一圈，自轉(zhuǎn)377.2圈。實際一年中，地球自轉(zhuǎn)為3

11、65.24圈。為了齒輪制造配合方便，在誤差并不影響實際模型效果的前提下而采用上述齒輪齒數(shù)。4.2 計算月球公轉(zhuǎn)與地球公轉(zhuǎn)之比實際中，月球繞地球公轉(zhuǎn)速度與其自轉(zhuǎn)速度一致，觀察時可認為其繞地球公轉(zhuǎn)，因而月球不設(shè)自轉(zhuǎn)機構(gòu)。當計算月球公轉(zhuǎn)與地球公轉(zhuǎn)之比時，應(yīng)將其視為定軸齒輪系進行計算。W1為地球繞太陽公轉(zhuǎn)速度，W4為月球繞地球公轉(zhuǎn)速度。月球公轉(zhuǎn)與地球公轉(zhuǎn)速度之比=W4/W1=(Z1*Z2Z3/Z2*Z3*Z4)=12.28即地球公轉(zhuǎn)一圈，月球公轉(zhuǎn)12.28圈。實際一年中，地球上觀察到月球公轉(zhuǎn)為12.37圈。在實際模型演示中，誤差可忽略，并且齒輪制造配合方便。4.3行星輪橢圓的分析如圖所示，為使B點軌跡

12、為一橢圓，則齒輪Z2繞齒輪Z1公轉(zhuǎn)1圈，齒輪Z2繞其中心自轉(zhuǎn)2圈。因此Z1/Z2=100/50=2，此時滿足條件，可畫出橢圓軌跡。5 設(shè)計過程中的亮點5.1 創(chuàng)意上的亮點緊扣時代發(fā)展的脈搏，以“節(jié)能環(huán)保，綠色出行”的先進理念 ，實現(xiàn)了騎行與趣味健身的有機結(jié)合，而且產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計，使得騎行運動功能模塊和趣味健身功能模塊可以無縫切換。騎行運動功能模塊使得騎行的安全性得到很大的提高，趣味健身功能模塊結(jié)合自發(fā)電技術(shù)使得室內(nèi)健身過程不但動感非凡，趣味十足，而且更加綠色環(huán)保。產(chǎn)品使用環(huán)保材料，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓出行更綠色。5.2結(jié)構(gòu)上的亮點通過大膽地改造現(xiàn)有自行車的動力輸入方式，避開了傳統(tǒng)的腳蹬動力輸

13、入方式轉(zhuǎn)而改成利用臀部下壓產(chǎn)生的動力進行動力輸入，利用曲柄滑塊機構(gòu)的優(yōu)點良好的實現(xiàn)了這一設(shè)計目標，在主軸處通過離合套筒結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了兩大功能模塊的切換，實現(xiàn)了雙功能。同時改進減震機構(gòu)的放置，既更好的滿足了臀部動力輸入方式，又改進了減震效果，具有一舉雙得的效果。5.3繪圖上的亮點沒有簡單地以完成任務(wù)為目標地設(shè)計結(jié)構(gòu)、表達結(jié)構(gòu)為重點，在繪圖中充分地考慮了產(chǎn)品外觀和實際功能的需要，大量使用曲面造型，整體設(shè)計經(jīng)過兩次繪圖，雖然增加了很大的工作量但最終還是有很大程度上地提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量，同時所有圖紙和模型結(jié)構(gòu)均使用計算機制作，大大地提高了產(chǎn)品的整體效果。5.4團隊上的亮點團隊利用團隊成員各自擅長方向的不同，

14、合理地分工合作，優(yōu)勢互補，良好的分工協(xié)作和時間管理為作品的完成打了基礎(chǔ)。同時在作品完成過程中相互交流、共同學(xué)習(xí)進步，收獲了很多知識和協(xié)作精神。6 收獲與體會機械原理的課程設(shè)計是機械原理課程的一個延續(xù)和補充，是當中的非常重要的一環(huán)，本次課程設(shè)計時間不到兩周略顯得倉促一些。但是通過本次每天都過得很充實的課程設(shè)計，從中得到的收獲還是非常多的。兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我們所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我們?nèi)绾稳グ盐找患虑?，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)

15、會了做人與處世，這些團隊協(xié)作的歷練也是成長過程中很重要的一步。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次課程設(shè)計，我們深深體會到這句千古名言的真正含義。我們今天認真的進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計，我們在多方面都有所提高。在此感謝我們的老師，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我們工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我們無盡的啟迪；這次設(shè)計的很多細節(jié)處理，都離不開老師您的指導(dǎo)。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，鼓勵與幫助我們

16、能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計。同時也很感謝對我們幫助過的同學(xué)們，同學(xué)對我們的幫助和支持，相互學(xué)習(xí)與促進使得我們的作品得以更加完善，同時也讓我們更加感受到同學(xué)之間的友誼。由于團隊的能力有限，在設(shè)計過程中難以避免出現(xiàn)一些錯誤，懇請老師們多多指教,我們十分樂意接受你們的批評與指正。這次課程設(shè)計我們在一個多月前就已經(jīng)開始組隊并思考做一個什么樣的題目，在通過對現(xiàn)有生活的觀察和市場分析后，我們把目標定為設(shè)計一個產(chǎn)品而不僅僅是完成一個作業(yè)的作品，我們討論后確定的題目是設(shè)計一個多功能運動休閑山地自行車，由于知識和經(jīng)驗儲備的不足，在一開始的時候有些手忙腳亂，不知從何入手。后來在設(shè)計過程中也是遇到了各種之前沒有

17、想到的問題，可謂是一波三折，差點沒有放棄這個題目。不過在老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的熱情幫助下，我們還是找到了信心，并堅持一定要把這個題目完成?，F(xiàn)在想想其實課程設(shè)計當中的每一天都是很累的，臨答辯那兩天更是一直畫圖到深夜兩點才爬到床上去。課程設(shè)計沒有想像的那么簡單，一點一滴都是自己動手和勤加思考的結(jié)果，想抄襲或者想自己胡亂蒙兩個數(shù)據(jù)上去、臆造什么東西來騙老師都感覺行不通，經(jīng)過這段時間里的努力，在很多細節(jié)問題和設(shè)計問題都解決了，但是還是難免有疏忽和遺漏的地方。還有一些細節(jié)東西也沒來得及完善，完美總是可望而不可求的，獲取知識與經(jīng)驗，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)才是最重要的。在整個構(gòu)思設(shè)計過程中，對我們的綜合運用機械原理課程及其他課程理論知識和利用生產(chǎn)實踐知識來解決實際問題的能力有很大的提高，真正做到了學(xué)以致用。在此期間我們同學(xué)之間互相幫助，共同面對機械原理課程設(shè)計當